黃麗芬，馬海波

（1.福建省氣象臺，福建福州350001；2.永安市氣象局，福建三明366000）

微波輻射計在現(xiàn)代大氣探測中的應(yīng)用

黃麗芬1，馬海波2

（1.福建省氣象臺，福建福州350001；2.永安市氣象局，福建三明366000）

本文在第一部分簡單概述了微波輻射、微波輻射計的概念、特點和種類等，然后結(jié)合大氣探測對象、規(guī)范特點和原理，對微波輻射計在現(xiàn)代大氣探測中的應(yīng)用進行了詳細(xì)分析。

微波輻射計；特點；種類；應(yīng)用

本文根據(jù)福建變化莫測、臺方發(fā)生率大、海風(fēng)頻繁等氣候特點及實際情況，對微波輻射計在現(xiàn)代大氣探測中的應(yīng)用進行分析。因福建地處東南沿海地區(qū)，導(dǎo)致福建除了要面對西北方向的內(nèi)陸風(fēng)及相關(guān)氣候以外，還要面對來自東南沿海海風(fēng)及氣候的影響，使福建省的氣候變化萬千，如強臺風(fēng)“鳳凰”和“海貝思”，不但危機到福建本地區(qū)人民的人身安全，還危機到臺灣等周邊地區(qū)的安全，但其危害系數(shù)都在大氣探測部門高效探測服務(wù)的幫助下得到了有效，有效證實了微波輻射計高效應(yīng)用于現(xiàn)代大氣探測中的重要性與必要性。

1 微波輻射與微波輻射計的簡單概述

1.1 微波輻射

微波輻射通常是指波長為0.1～30cm的輻射，實質(zhì)上是一種“長波熱輻射”，廣泛存在于自然界，被自然界所有事物所吸收。微波輻射具有感應(yīng)性強、保密性等特點，與相應(yīng)的雷達進行感應(yīng)主要是靠微波遙感及接收感應(yīng)，將感應(yīng)出來的輻射信號被其他設(shè)備接收，實現(xiàn)微波輻射計的檢測，進而實現(xiàn)對大氣的探測。被探測到的微波頻段，其電磁能信號一般很微弱，遠遠小于輻射計的噪聲功率。

1.2 微波輻射計

微波輻射計實質(zhì)上是指寬頻帶、高增益和高靈敏度的被動微波遙感儀器，主要由天線、數(shù)據(jù)記錄存儲裝置和寬帶接收機組成，通過對數(shù)據(jù)信號的處理，將背景噪聲中微弱信號進行量化，實現(xiàn)信號的提取，具有很強的穿透力，能夠穿透云霧和雨雪，并且能夠進行全天候的信號處理和獲取，足以證實微波輻射計顯著優(yōu)于紅外遙感器。微波輻射計的微波頻率可以劃分為 L、S、C、X、Ku、K和 Ka，對應(yīng)的頻率分別為 1.4GHz、2.65GHz、6.6GHz、10.65GHz、13.9GHz、18.7GHz、37GHz。根據(jù)這些頻率劃分可以將微波輻射計劃分為全功率微波輻射計、Dicke型微波輻射計和數(shù)字增益自動補償微波輻射計，微波輻射計接收通道原理見圖1。

圖1 微波輻射計接收通道原理圖

1.3 微波輻射計提供的主要大氣信息

隨著高科技技術(shù)在微波輻射計中應(yīng)用，使微波輻射計在原來的基礎(chǔ)上，又得到了大氣信息量上的提高，現(xiàn)時代的微波輻射計不但可以提供高精度的大氣綜合參數(shù)（如亮溫、液態(tài)水形成因素、可降水的水汽量和大氣層的溫度等）；還能夠提高大氣參數(shù)的分辨率，實現(xiàn)對大氣元素的垂直廓線分析（如溫度垂直、水汽強度、液態(tài)水強度廓線等）；更能夠?qū)崿F(xiàn)理想測量值探測（如主動雷達觀測信息、激光雷達觀測信息等），有效實現(xiàn)了不同雷達觀測資料的融合性。

2 現(xiàn)代大氣探測的簡單概述

2.1 大氣探測的對象、范圍和特點

①大氣探測的對象：大氣狀況、氣象要素和天氣現(xiàn)象及變化過程；②大氣探測的范圍：離地面較近的地層大氣、高空大氣和特殊區(qū)域大氣，如大氣的邊界層，城市的熱島環(huán)流，峽谷的風(fēng)場，海陸的風(fēng)場等；③大氣探測的特點：包括大氣探測要素多樣化、大氣探測要素大量化、空間范圍擴展化、大氣探測要素多樣化和探測內(nèi)容豐富化等特點。

2.2 大氣探測方法

表1 大氣探測方法解析

3 微波輻射計在現(xiàn)代大氣探測中的應(yīng)用

3.1 微波輻射計應(yīng)用于氣象學(xué)

主要應(yīng)用在氣象學(xué)中氣象探測、地質(zhì)探測、海洋探測、農(nóng)林探測、軍事探測、醫(yī)療探測和天文等方面，能夠適應(yīng)微波輻射計運行的平臺主要包括地基探測平臺、空基探測平臺和星基探測平臺，相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域包括大氣微波、陸地微波和海洋微波遙感。

3.2 微波輻射計應(yīng)用于災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)報

3.2.1 臺風(fēng)、風(fēng)暴中心及其運動規(guī)律的監(jiān)測

主要利用微波輻射計與大氣水汽的相互吸收性，實現(xiàn)微波輻射計對大氣水汽的吸收，進而反應(yīng)出大氣水汽的特性和衰減規(guī)律，從而實現(xiàn)對臺風(fēng)和風(fēng)暴中心位置的判斷及確定。

福建強臺風(fēng)“海貝思”的中心與運行規(guī)律監(jiān)測，利用微波輻射計對臺風(fēng)區(qū)進行探測，很快判斷出臺風(fēng)的運行呈逆時針并且朝廈門方向運動，對此福建氣象臺就實際情況及需要，聯(lián)合廈門等地一起制定減少臺風(fēng)破壞程度的辦法，使福建及廈門等地平安度過“海貝思”臺風(fēng)期。

3.2.2 大氣含水量的監(jiān)測

水作為大氣的重要元素之一，是直接形成各種氣候的關(guān)鍵元素，這意味著實現(xiàn)對大氣含水量的監(jiān)測，就等于實現(xiàn)對大氣氣象、氣候及天氣的監(jiān)測與預(yù)報。而微波輻射計的設(shè)計原理及運用原理就是利用雷達，對大氣進行含水量的感應(yīng)，進而實現(xiàn)對大氣含水量的監(jiān)測，微波輻射計監(jiān)測大氣含水量時，通常都是通過對水汽總量與輻射亮度溫度的線性關(guān)系進行分析實現(xiàn)的，因為亮溫度越高，含水量就越高，越容易出現(xiàn)風(fēng)雨天氣，甚至是臺風(fēng)和暴風(fēng)等。

3.2.3 輔助人工干預(yù)天氣和大氣溫度測量

人工降雨、降雪等都是已經(jīng)成為很多發(fā)達城市的常用氣候控制形式，尤其是福建、廈門和上海等地氣候變化多端的城市，這些城市有的一年四季的不會下雪，而有的則降雨量少之又少，如新疆等地，這時就會用上人工降雨和降雪技術(shù)，而這些技術(shù)都是在微波輻射計進行高精度大氣探測的基礎(chǔ)上實現(xiàn)和應(yīng)用的。人工降雪、降雨的原理，主要是通過微波輻射計探測出大氣中的水汽和液水含量，然后利用降水相關(guān)物理原理和化學(xué)性質(zhì)，實現(xiàn)人工降雨、降雪等。

3.2.4 應(yīng)用于海上降雨測量

海上降雨遠比內(nèi)陸復(fù)雜，因為不但受到內(nèi)陸風(fēng)、大氣流等影響，還要受到海洋氣候、氣流及海洋運動的影響，所以為保證和提高海洋降雨探測精準(zhǔn)度，必須使用微波輻射計進行大氣探測。

3.2.5 應(yīng)用于大氣污染測量

人類的發(fā)展必定帶來大氣的污染問題，為解決大氣污染問題（如臭氧、一氧化碳和二氧化氮等有毒氣體。），創(chuàng)造健康美好的生活環(huán)境，必須使用微波輻射計必氣體的傳播進行測量，然后根據(jù)相應(yīng)波長，結(jié)合氣體吸收特點，判斷和確定相應(yīng)的有害氣體，波長是判斷有害氣體的關(guān)鍵。

例如個，2.53cm的波長可以監(jiān)測出一氧化碳，2.4cm的波長可以監(jiān)測出二氧化氮等。

3.2.6 應(yīng)用于大氣湍流測量

大氣湍流通常都是發(fā)生在8000～16000m的晴空，形成晴空湍流，使空氣流發(fā)生不規(guī)律運動，導(dǎo)致空氣流混亂，進而造成飛行事故發(fā)生率的提高。氣流急劇運動的大氣層附近溫度比其他地方要高出1～5℃，而飛機在溫度升高5℃時，就要面臨因重力加速導(dǎo)致的湍流沖擊，使飛機飛行中的危險系數(shù)增加，甚至造成飛機事故，而將微波輻射計應(yīng)用到大氣湍流測量，能夠監(jiān)測并確定湍流方位、湍流距離和湍流強度等，進而實現(xiàn)飛機與湍流的避開，以確保飛機的安全飛行。

3.2.7 應(yīng)用于季節(jié)性積雪測量

主要應(yīng)用到微波輻射計中的積雪物理參數(shù)，包括雪的深度、雪水量、雪的密度、雪的溫度和雪顆粒的大小等，通過對這些參數(shù)的變化進行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合微波輻射計觀測的輻射亮溫值，利用微波輻射的傳輸特性，建立能微波輻射計中積雪物理參數(shù)與積雪輻射亮溫值的關(guān)系模型，進而實現(xiàn)對季節(jié)性積雪的測量。

4 結(jié)語

綜上所述，微波輻射計被應(yīng)用于大氣探測，能夠有效探測出大氣中重要物質(zhì)，如污染物質(zhì)、云量以及云的成分等，實現(xiàn)了自動化和職能化大氣探測，對大氣探測的精確度起著不可代替的提高作用，成為微波遙感系統(tǒng)中重要組成部分，并占據(jù)重要位置。

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P407.7

A

2095-2066（2016）34-0246-02

2016-11-23

黃麗芬（1997-），女，工程師，本科，主要從事大氣探測工作。